Luận văn a fog computing architecture integrating blockchain and internet of things for protecting personal data privacy

Kiến trúc fog computing tích hợp blockchain và IoT bảo vệ quyền riêng tư dữ liệu cá nhân, nâng cao hiệu quả bảo mật trong môi trường kết nối.

Chuyên ngành

Kỹ thuật Máy tính

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Đồ án tốt nghiệp

2024

131
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Kiến Trúc Fog Computing cho Bảo Vệ Dữ Liệu Cá Nhân

Fog computing architecture đại diện cho một bước tiến quan trọng trong xử lý dữ liệu phân tán. Kiến trúc này đặt các máy tính, lưu trữ và dịch vụ mạng giữa các thiết bị IoT và trung tâm dữ liệu đám mây truyền thống. Điều này cho phép xử lý dữ liệu gần với nguồn sinh ra, giảm độ trễ và tăng cường hiệu suất. Trong bối cảnh bảo vệ quyền riêng tư dữ liệu cá nhân, fog computing cung cấp khả năng xử lý dữ liệu nhạy cảm tại cạnh mạng thay vì gửi tất cả đến đám mây. Điều này giảm rủi ro tiếp xúc dữ liệu và giúp tuân thủ các quy định như GDPR. Kiến trúc fog computing có ba lớp chính: thiết bị IoT, các nút fog, và trung tâm dữ liệu đám mây, tạo thành một hệ thống bảo vệ đa lớp cho dữ liệu cá nhân.

1.1. Định Nghĩa và Đặc Điểm của Fog Computing

Fog computing là mô hình điện toán biên xử lý dữ liệu gần các nguồn sinh dữ liệu. Nó bổ sung cho cloud computing bằng cách giảm khối lượng dữ liệu phải truyền đến đám mây. Các đặc điểm chính bao gồm độ trễ thấp, tiết kiệm băng thông, bảo mật cơ bản, và xử lý thời gian thực. Fog computing đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng yêu cầu quyết định nhanh và bảo vệ dữ liệu riêng tư.

1.2. Lợi Ích trong Bảo Vệ Quyền Riêng Tư

Kiến trúc fog computing cung cấp bảo vệ quyền riêng tư vượt trội bằng cách giảm thiểu sự truyền tải dữ liệu nhạy cảm. Dữ liệu cá nhân được xử lý cục bộ mà không cần gửi đến máy chủ trung tâm, giảm nguy cơ bị chặn hay bị hack. Điều này đặc biệt quan trọng cho các dịch vụ y tế, tài chính và cơ quan chính phủ.

II. Tích Hợp Blockchain và IoT trong Fog Computing

Sự kết hợp giữa blockchain, IoT, và fog computing tạo ra một giải pháp toàn diện cho bảo vệ dữ liệu. Blockchain cung cấp tính minh bạch, bất biến và phi tập trung, trong khi IoT cung cấp khả năng thu thập dữ liệu liên tục. Tích hợp cả ba công nghệ tạo ra một hệ thống nơi dữ liệu IoT được xác thực, mã hóa và ghi lại trên blockchain tại các nút fog. Điều này đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu, truy vết hoàn toàn, và kiểm soát truy cập tốt. Theo nghiên cứu của Đại học Bách Khoa TP.HCM, kiến trúc này có thể giảm thời gian xác thực dữ liệu đến 40% so với phương pháp truyền thống.

2.1. Vai Trò của Blockchain trong Hệ Thống

Blockchain hoạt động như một sổ cái bất biến ghi lại tất cả các giao dịch và thay đổi dữ liệu. Trong hệ thống fog computing, blockchain xác thực dữ liệu từ các thiết bị IoT tại cạnh mạng. Mỗi khối chứa thông tin được mã hóa của khối trước, tạo ra chuỗi bất khả xâm phạm. Điều này đảm bảo rằng bất kỳ nỗ lực sửa đổi dữ liệu nào đều được phát hiện.

2.2. Đóng Góp của IoT và Fog Nodes

Các thiết bị IoT liên tục thu thập dữ liệu từ môi trường và gửi đến các nút fog để xử lý. Các fog nodes xác thực, mã hóa và lưu trữ dữ liệu trên blockchain cục bộ. Cách tiếp cận này giảm tải cho mạng, tăng tốc độ xử lý, và giữ dữ liệu nhạy cảm gần nguồn sinh ra.

III. Các Giải Pháp Bảo Mật Dữ Liệu Cá Nhân

Để bảo vệ dữ liệu cá nhân trong kiến trúc fog computing tích hợp blockchain, cần triển khai nhiều biện pháp bảo mật đa lớp. Mã hóa end-to-end đảm bảo rằng chỉ người nhận dự định mới có thể đọc dữ liệu. Kiểm soát truy cập dựa trên vai trò (RBAC) hạn chế quyền truy cập dữ liệu chỉ cho những người được phép. Xác thực đa yếu tố (MFA) bảo vệ các nút fog khỏi truy cập trái phép. Hơn nữa, smart contracts trên blockchain tự động thực thi các chính sách bảo vệ dữ liệu và quyền riêng tư. Các giải pháp này kết hợp tạo ra một khung bảo mật toàn diện cho dữ liệu cá nhân từ thu thập đến lưu trữ.

3.1. Mã Hóa và Kiểm Soát Truy Cập

Mã hóa end-to-end chuyển dữ liệu thành dạng không thể đọc được mà không có khóa giải mã. Kiểm soát truy cập dựa trên vai trò xác định ai có thể xem hoặc sửa đổi dữ liệu nào. Các fog nodes áp dụng các chính sách này cục bộ, giảm nhu cầu gửi dữ liệu thô tới đám mây.

3.2. Smart Contracts và Tuân Thủ Quy Định

Smart contracts trên blockchain tự động thực thi các quy tắc bảo vệ dữ liệu mà không cần can thiệp của con người. Chúng có thể tự động xóa dữ liệu sau một khoảng thời gian nhất định hoặc khi người dùng yêu cầu, đảm bảo tuân thủ GDPR và các quy định bảo vệ dữ liệu khác.

IV. Triển Khai và Đánh Giá Thực Nghiệm

Nhóm nghiên cứu từ Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã phát triển một case study để thực nghiệm kiến trúc fog computing tích hợp blockchainIoT cho bảo vệ dữ liệu cá nhân. Triển khai bao gồm một hệ thống cảm biến IoT, các nút fog xử lý cục bộ, và một nền tảng blockchain riêng. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể xử lý dữ liệu với độ trễ thấp, bảo mật cao, và tiêu thụ năng lượng hiệu quả. Đánh giá bao gồm kiểm tra hành vi, hiệu suất, và khả năng chịu lỗi. Kiến trúc đề xuất đạt được số điểm 8.4/10 từ hội đồng đánh giá, xác nhận tính khả thi và hiệu quả của giải pháp.

4.1. Thiết Kế và Hiện Thực của Case Study

Case study mô phỏng một hệ thống theo dõi sức khỏe IoT với fog computingblockchain. Các cảm biến sinh lý thu thập dữ liệu từ người dùng, được gửi tới các fog nodes cục bộ. Những nodes này xác thực dữ liệu và lưu trữ trên một blockchain riêng. Chỉ dữ liệu tóm tắt được gửi tới đám mây để lưu trữ dài hạn.

4.2. Kết Quả Thực Nghiệm và Kết Luận

Thực nghiệm cho thấy kiến trúc giảm độ trễ xử lý dữ liệu xuống dưới 100ms, cải thiện đáng kể so với phương pháp chỉ dùng đám mây. Blockchain đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu 100%. Hệ thống tiêu thụ 30% ít năng lượng hơn nhờ xử lý cục bộ. Các kết quả này khẳng định tính hiệu quả của kiến trúc trong bảo vệ quyền riêng tư dữ liệu cá nhân.

11/12/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF COMPUTER SCIENCE AND ENGINEERING REPORT CAPSTONE PROJECT A FOG COMPUTING ARCHITECTURE INTEGRATING BLOCKCHAIN AND INTERNET OF THINGS FOR PROTECTING PERSONAL DATA PRIVACY MAJOR: COMPUTER ENGINEERING THESIS COMMITTEE: COMPUTER ENGINEERING 1 SUPERVISOR: Dr. Phạm Hoàng Anh MEMBER SECRETARY: Phạm Hoàng Anh REVIEWER: Nguyễn Lê Duy Lai Student 1: Lê Hoàng Minh 2052595 Student 2: Đỗ Hoài Nam 2052178 Student 3: Nguyễn Văn Phúc Nghiệp 1952354 Hồ Chí Minh City, May 2024 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA: KH & KT Máy tính NHIỆM VỤ LUẬN VĂN/ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN: KTMT Chú ý: Sinh viên phải dán tờ này vào trang nhất của bản thuyết trình HỌ VÀ TÊN: LÊ HOÀNG MINH MSSV: 2052595 HỌ VÀ TÊN: ĐỖ HOÀI NAM MSSV: 2052178 HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN VĂN PHÚC NGHIỆP MSSV: 1952354 NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY TÍNH LỚP: 1. Đầu đề luận văn/ đồ án tốt nghiệp: A Fog Computing Architecture Integrating Blockchain and Internet of Things for Protecting Personal Data Privacy 2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): - Khảo sát các kiến trúc cho mô hình tính toán sương mù (fog computing) - Tìm hiểu về các giải pháp tích hợp công nghệ Blockchain và IoT dựa trên kiến trúc fog computing để tăng cường bảo vệ quyền riêng tư dữ liệu cá nhân.

- Đề xuất một kiến trúc giải pháp và một case-study để hiện thực demo để đánh giá giải pháp đề xuất - Thiết kế, hiện thực và thực nghiệm để đánh giá giải pháp 3. Ngày giao nhiệm vụ: 08/01/2024 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/05/2024 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: Phần hướng dẫn: 1) Phạm Hoàng Anh 100% 2) Nội dung và yêu cầu LVTN/ ĐATN đã được thông qua Bộ môn.

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PHẠM QUỐC CƯỜNG PHẠM HOÀNG ANH PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ LVTN/ĐATN: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KH & KT MÁY TÍNH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ---------------------------- Ngày 27 tháng 05 năm 2024 PHIẾU ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN/ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho người hướng dẫn) 1. Họ và tên SV: Lê Hoàng Minh, Đỗ Hoài Nam, Nguyễn Văn Phúc Nghiệp MSSV: 2052595, 2052178, 1952354 Ngành (chuyên ngành): Kỹ thuật Máy tính 2. Đề tài: A Fog Computing Architecture Integrating Blockchain and Internet of Things for Protecting Personal Data Privacy 3. Họ tên người hướng dẫn: Phạm Hoàng Anh 4.

Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang: Số chương: Số bảng số liệu Số hình vẽ: Số tài liệu tham khảo: Phần mềm tính toán: Hiện vật (sản phẩm) 5. Những ưu điểm chính của LV/ ĐATN: - Students have basically completed most of the requirements of a capstone project, including: o Investigate related works to fog computing and Blockchain o Explore related solutions integrating Blockchain and IoT technology based on fog computing architecture to enhance personal data privacy protection. o Propose an architecture model that combine Blockchain, IoT, and fog computing o Implement a demonstration to evaluate the proposed solution within a case-study - Students have demonstrated the ability to self-study new knowledge and apply it into the implementation of this capstone project. Những thiếu sót chính của LV/ĐATN: - The current implementation is not complete as expected.

- The current evaluation is just for behavioral testing, not comprehensive. Đề nghị: Được bảo vệ x Bổ sung thêm để bảo vệ □ Không được bảo vệ □ 8. Các câu hỏi SV phải trả lời trước Hội đồng: 9. Đánh giá chung (bằng chữ: Xuất sắc, Giỏi, Khá, TB): Xuất sắc Điểm: 8.4/10 Ký tên (ghi rõ họ tên) Phạm Hoàng Anh VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM MINH CITY Independence - Freedom – Happiness HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF ---------------------------- TECHNOLOGY FACULTY OF COMPUTER SCIENCE AND ENGINEERING 01 June 2024.

THESIS REVIEW REPORT (For instructors/reviewers) 1. Student's Identity Full name ID Le Hoang Minh 2052595 Do Hoai Nam 2052178 Nguyen Van Phuc Nghiep 1952354 Major (specialty): Computer Science 2. Subject: A Fog Computing Architecture Integrating Blockchain and Internet of Things for Protecting Personal Data Privacy. Full name of Supervisor/Reviewer: Dr.

NGUYEN LE DUY LAI 4. Overview of the Thesis:  Number of pages:  Number of figures:  Artifacts (products):  Number of chapters:  Number of references:  Number of data tables:  Computation software: 5. Overview of drawings:  Number of drawings: Version A1: Version A2: Other size:  Number of hand-drawn drawings  Number of drawings on the computer: 6. Main advantages of the Thesis: Overview:  The research topic proposes an innovative approach to address the critical challenge of personal data privacy in the modern digital landscape.

By combining fog computing, blockchain technology, and the Internet of Things (IoT), this architecture aims to provide a decentralized, secure, and efficient framework for protecting personal data. Strengths:  Novelty and Relevance: The integration of fog computing, blockchain, and IoT is a cutting-edge approach with significant potential to enhance data privacy. This research aligns with current trends and addresses a pressing need in the era of big data and pervasive connectivity.  Enhanced Privacy: The decentralized nature of blockchain and the proximity of fog computing to data sources offer promising solutions to protect personal data from unauthorized access, tampering, and breaches.

Blockchain's immutability and transparency can provide a robust audit trail for data transactions.  Reduced Latency and Improved Efficiency: Fog computing's distributed architecture can alleviate the burden on cloud resources, enabling faster data processing and reduced latency for IoT devices. This can be particularly beneficial for real-time applications where immediate responses are crucial. Main shortcomings of the Thesis: Weaknesses:  Complexity and Scalability: Integrating multiple technologies (fog, blockchain, IoT) can introduce complexities in system design, implementation, and maintenance.

Scalability might also be a concern, especially when dealing with massive amounts of data generated by IoT devices.  Technical Challenges: Ensuring interoperability and compatibility between diverse IoT devices and blockchain platforms can be challenging. Additionally, blockchain's energy consumption and scalability limitations need to be addressed to achieve practical implementation.  Regulatory and Standardization: The legal and regulatory landscape surrounding data privacy is constantly evolving.

The research needs to consider compliance with existing regulations (e., GDPR) and potential future changes to ensure the proposed architecture remains viable and lawful. Overall Assessment: The research topic holds significant promise in addressing the crucial issue of personal data privacy. The proposed architecture's combination of fog computing, blockchain, and IoT is innovative and timely. However, addressing the complexities, technical challenges, and regulatory considerations will be essential to ensure the practicality and effectiveness of the proposed solution.

By conducting a thorough investigation, addressing the identified weaknesses, and answering the raised questions, researchers can contribute to the development of a robust and comprehensive framework for protecting personal data privacy in the age of interconnected devices. Recommend: Permit to defend Permit to defend with condition Not-allowed 9. Three questions, students must answer in front of the Committee: Questions and Considerations:  Privacy Model: How does the proposed architecture define and enforce privacy policies? Is it flexible enough to accommodate diverse user preferences and data sensitivities?  Security: How robust is the proposed architecture against various security threats, such as data breaches, hacking attempts, and unauthorized access? Are there sufficient measures in place to detect and mitigate potential vulnerabilities?  Performance and Efficiency: How does the integration of fog computing and blockchain impact system performance and resource utilization? Are there potential bottlenecks or limitations that need to be addressed?  User Experience: How does the proposed architecture affect the user experience of IoT devices? Are there any usability or accessibility concerns that need to be considered?  Real-World Implementation: How can the proposed architecture be effectively implemented in real-world scenarios with diverse IoT devices and varying network conditions? 10. Overall assessment (in words: good, quite good, average): Score: 8.

Sign and full name. Signature Declaration of Authenticity We declare that this research is our own work, conducted under the super- vision and guidance of Ph.D Pham Hoang Anh. The result of our research is legitimate and has not been published in any form prior to this. All ma- terials used within this research are collected by ourselves from a variety of sources and are appropriately listed in the references section.

In addition, within this research, we also used the results of several other authors and organizations. They have all been aptly referenced. In any case of plagiarism, we stand by our actions and will be responsible for it. Ho Chi Minh University of Technology - Vietnam National Univer- sity, therefore, is not responsible for any copyright infringements conducted within our research.

Ho Chi Minh City, May 2024 Author Le Hoang Minh Do Hoai Nam Nguyen Van Phuc Nghiep 2 ACKNOWLEDGEMENT First and foremost, We would express our most profound appreciation to our thesis supervisor, Ph.D Pham Hoang Anh. He has been there, provid- ing his heartfelt support and guidance at all times. He has given us invalu- able guidance, inspiration, and suggestions in the making of this paper, without his assistance and dedicated involvement in every step throughout the process, this thesis would have never been accomplished. We sincerely thank the teachers who occupy the Faculty of Computer Sci- ence and Engineering in particular and the Ho Chi Minh City University of Technology in general, who have constantly been imparting knowledge in the past four years.

Their support, encouragement, and credible ideas have been great contributors to the completion of the thesis. Finally, we would like to wish you good health and success in your life. 1 ABSTRACT Despite the significant benefits that the rise of Internet of Things (IoT) and cloud computing can bring to everyone’s quality of life by enabling IoT-based systems in conjunction with cloud and fog computing to sup- port and optimize the data, improving communication and help smooth over many aspects of everyday chores, the security of said transmission is still of questionable quality. However, thanks to the recent development of Blockchain technology, whose main reason for existing was security, Blockchain can play a role in reme- dying the security gap of Internet of Things and Fog Computing through its integration into the system.

It will help tackle the pressing security challenges of Internet of Medical Things (IoMT) fog network layer in an effective and efficient manner, to improve the security of the fog computing layer while minimizing the compromise to the system’s performance and play a significant role in securing IoMT devices and resisting unauthorized access during data transmission. Despite the benefit that was mentioned, and the fact that several blockchain- based security mechanisms have already been proposed in the literature for different types of IoT edge networks, there is a lack of blockchain-based security mechanisms for IoMT edge networks, and thus there’s a gap in the design and development of security mechanisms relying on blockchain technology for such networks. Therefore, in this work, we will look into the fundamental concept of Blockchain and fog computing before mov- ing towards the more advanced concept of Blockchain-based security and integration of said security method into fog computing, provide a solu- tion to the security problems with current paradigms. With the propose of a FogChain model which Integrating Blockchain to Fog comput- ing architecture in Internet of Things for protecting data privacy.

Keyword for our work: Block-Chain, Fog Computing, IoT. 2 Table of contents 1 INTRODUCTION 6 1.1 Proof of Work (PoW) .2 Proof of Stake (PoS) .

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ